Получение электроэнергии из солнечной энергии

Солнечные панели

Солнечная электроэнергетика в последнее время развивается быстрыми темпами. А по прогнозам аналитиков в ближайшее время СЭС могут составить серьезную конкуренцию традиционным тепловым электростанциям. В нашей статье мы узнаем, как осуществляется получение электроэнергии из солнечной энергии и каких успехов достигла солнечная энергетика.

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — это вид альтернативной энергетики, который подразумевает использование солнечного света для получения электроэнергии. Для выработки энергии применяются специальные светочувствительные устройства в виде панелей, которые могут работать по различным принципам (более подробно мы этот вопрос рассмотрим ниже). Солнечные электростанции (СЭС) сегодня применяются различными способами:

  • Компактные недорогие устройства на основе фотовольтаики применяются для зарядки небольших домашних гаджетов — например, мобильных телефонов или батарей для ноутбуков.
  • На основе фотовольтаики также создаются крупные системы, которые могут обеспечивать автономное электроснабжение домов или промышленных объектов.
  • Существуют также гелиотермальные системы, которые применяются для отопления или получения горячей воды. Применяются такие системы для домашних или промышленных нужд.
  • На основе гелиотермальных и фотоэлектрических элементов создают крупные мощные электростанции, которые могут питать города или крупные промышленные производства.

Цена на традиционные ресурсы для тепловых электростанций растет с каждым годом. Но при этом солнечный свет является практически неисчерпаемым источником энергии, а солнечные батареи с экологической точки зрения намного безопаснее традиционных ТЭЦ. Поэтому в последнее время солнечная энергетика активно развивается, хотя ее успехи на сегодняшний день достаточно скромны (на долю СЭС приходится чуть больше 2,5% выработки мировой электроэнергии).

Система геотермального отопления частного дома
Система геотермального отопления частного дома

Обратите внимание!

Несмотря на низкое распространение эксперты в ближайшие 10-15 лет прогнозируют бум СЭС. Более подробную информацию о перспективах солнечных станций читайте в конце нашей статьи.

Способы получения энергии из солнечного излучения

Солнечное излучение можно использовать для получения электричества или нагретого теплоносителя. В зависимости от способа получения этих ресурсов различают несколько видов солнечной энергетики — фотовольтаика, гелиотермальная энергетика и другие. Ниже мы рассмотрим основные технологии получения энергии из тепла, а также сделаем краткий исторический экскурс в историю солнечной энергетики.

Фотовольтаика

Электростанция на солнечных фотоэлементах
Электростанция на солнечных фотоэлементах

Фотовольтаикой называют преобразование солнечного света в электрическую энергию с помощью полупроводниковых материалов, которые обладают фотоэффектом. Хорошим примером фотогальванического материала является поли- или монокристаллический кремний, который при солнечном облучении может генерировать электрический ток. Если объединить несколько таких кремниевых пластин вместе и подключить к ним провода, то мы де-факто получим солнечную установку, которую можно использовать для генерации электричества для промышленных или бытовых нужд.

К сожалению, современные фотогальванические элементы обладают сравнительно небольшим уровнем КПД — в пределах 15-22%. Поэтому для сбора полноценной электростанции для снабжения дома или промышленного объекта потребуется много солнечных элементов-батарей. На практике технология фотовольтаики является самой распространенной, а с ее помощью получают большинство солнечной электроэнергии. На основе таких панелей делают как крупные электростанции (СЭС), так и компактные системы, которые могут применяться для снабжения домов или промышленных объектов.

Плюсы
Прямое получение электрической энергии.
Технология подходит для промышленного и бытового применения.
Большой выбор батарей разной мощности на рынке.
Минусы
Не слишком высокий коэффициент полезного действия.
Нужно много батарей для снабжения дома или промышленного объекта.

Гелиотермальная энергетика

Гелиотермальная электростанция
Гелиотермальная электростанция

Гелиотермальной энергетикой называют технологию, которая позволяет вырабатывать тепловую энергию за счет солнечной. В качестве вырабатывающих элементов применяются тепловые коллекторы, которые по внешнему виду очень похожи на обычные батареи, но их принцип действия радикально отличается. В наиболее простом виде коллектор состоит из адсорбера и змеевика, по которому циркулирует теплоноситель. При облучении солнцем адсорбер нагревается и передает тепловую энергию теплоносителю в трубе, что приводит к его нагреву.

Простые коллекторы используются только для отопления или получения горячей воды, а использовать их можно как в быту, так и промышленности. Также существуют высокотемпературные коллекторы, которые помимо горячей воды позволяют получать электричество с помощью турбины или двигателя Стерлинга. КПД у таких установок достаточно большой — в пределах 30-40%, что делает их очень эффективными. К сожалению, высокотемпературные установки сложны в эксплуатации, поэтому их используют только в промышленности и в составе гелиотермальных СЭС.

Плюсы
Очень высокий коэффициент полезного действия.
Можно получать как электричество, так и горячую воду.
Достаточно высокая прочность нагревательных батарей.
Минусы
Модели для получения электричества не применяются в быту.
Сравнительно невысокая представленность на российском рынке.

Обратите внимание!

Некоторые люди в быту применяют одновременно гелиотермальные и фотоэлектрические панели, что позволяет получать как горячий теплоноситель, так и электричество.

Технология концентрации солнечной энергии

Эта технология появилась сравнительно недавно, однако завоевала большое количество сторонников в сфере крупной энергетики. В данном случае электростанция состоит из элементов двух типов:

  • В качестве первого элемента выступают установки-концентраторы, которые фокусируют энергию солнца в одной точке с помощью системы зеркал и линз. Концентраторы обычно устанавливаются на специальной платформе, которая поворачивает устройство по мере прохождения Солнца над горизонтом, что позволяет увеличить выработку электроэнергии.
  • В качестве второго элемента выступают гелиотермальный элемент, внутри которого располагается теплоноситель, который подключается к турбине. Под действием концентрированных солнечных лучей он разогревается и превращается в пар, что приводит к образованию электрического тока за счет вращения турбины. Принцип действия гелиотермальных элементов схож с гелиотермальными батареями, которые мы рассмотрели в предыдущем пункте.

Электростанции, основанные на принципе концентратора, могут быть выполнены в нескольких разновидностях в зависимости от формы концентратора и гелиотермального элемента. Основные схемы — это параболический желоб, устройство в виде тарелки, линейный отражатель Френеля, энергетическая башня и другие. Электростанции-концентраторы обладают хорошим показателем КПД в 30-40%, однако такие станции применяются только для крупной выработки электроэнергии, поэтому для домашнего использования такие СЭС не используются.

Электростанция, основанная на принципе концентратора
Электростанция, основанная на принципе концентратора
Плюсы
Приличный уровень КПД.
Высокая генерируемая мощность.
Перспективная технология.
Минусы
Подходит для создания только крупных СЭС.
Для создания станций требуются крупные инвестиции.

Солнечные аэростатные электростанции

Аэростатная СЭС

Аэростатные электростанции на практике встречаются достаточно редко, однако они все же есть, поэтому стоит их кратко рассмотреть. Основой таких станций является атмосферный аэростат или дирижабль, который располагается на высоте 15-20 км над уровнем земли. В зависимости от способа действия различают два вида аэростатных установок:

  • Аэростаты с фотоэлектрической обшивкой. В таком случае применяются обычные аэростаты, сверху на которых наносится светочувствительная обшивка на основе фотоэлементов. К земле от аэростата тянется кабель, подключенный к аккумулятору. Принцип работы таких устройств прост — при наличии Солнца фотоэлементы генерируют электрический ток, который по кабелю передается на землю. Аэростат находится над уровнем облаков, поэтому выработка энергии идет вне зависимости от атмосферных условий. К тому же из-за более близкого расположения к Солнцу увеличивается мощность выработки, что особенно критично в зимний период. К сожалению, аэростаты практически недоступны обычному человеку, поэтому купить их для домашнего использования будет проблематично.
  • Аэростаты, работающие по паротурбинному принципу. Здесь также применятся обычные аэростаты, но обшивка у них не будет не фотоэлектрическая, а термическая. При этом генерация электроэнергии осуществляется за счет образования пара внутри аэростата. Электростанция в таком случае будет состоять из аэростата, насоса и паропровода, который впрыскивает воду и отводит пар на землю, а также из паротурбинного двигателя и аккумулятора. Звучит страшно, но работает просто — внутрь аэростата впрыскивается вода под давлением, которая за счет энергии Солнца нагревается и преобразуется в пар, а в дальнейшем пар транспортируется на землю, где он вращает турбину, что приводит к получению электрического тока. КПД таких установок не слишком высокий — в пределах от 15 до 25%, однако они могут работать в темное время суток за счет медленного охлаждения нагретого пара, что является их крупным плюсом. К сожалению, паротурбинные аэростаты также недоступны обычному человеку.

Первые опыты и история использования солнечной энергии

Параболический концентратор
Параболический концентратор солнечной энергии

Первые опыты по использованию солнечной энергии проводили еще древние греки, однако полноценное развитие солнечной энергетики начинается в конце XIX века. В 1866 году французский изобретатель Огюстен Мушо создал простейший параболический концентратор, работающий от Солнца, который применялся для нагрева воды в паровом двигателе. Первую фотогальваническую батарею на основе селена создал американец Чарльз Фриттс в 1884 году.

В дальнейшие годы технологии солнечной энергетики активно развивались, однако в начале XX века эти перспективные технологии были забыты в связи с повышением доступности угля и нефти, на которых стали работать электростанции. Ситуация изменилась только в семидесятые годы, когда из-за нефтяного кризиса в 1973 году и энергетического кризиса в 1979 году ученые и политики стали задумываться над возобновлением исследованием в области солнечной энергетики.

Начиная с этого времени открывается множество исследовательских центров, целью которых является изучение альтернативных источников энергии. В девяностые годы фотоэлектрические и гелиотермальные элементы начинают использоваться как в быту, так и в промышленности. В нулевые годы принимается много законов о «зеленых тарифах», а в десятые годы начинают активно открываться мощные СЭС по всему миру.

Распространение солнечной энергетики

По состоянию на 2019 году на гелиоэнергетику приходилось всего 2,86% годовой выработки энергии. Это является достаточно скромным показателем, учитывая, например, что на тепловые электростанции (ТЭЦ) приходится почти 60%. Однако аналитки указывают, что СЭС-энергетика сегодня развивается бурными темпами, а в ближайшее время она сможет отвоевать для себя крупные доли на рынке (более подробную информацию о перспективах гелиоэнергетики читайте в следующем пункте нашей статьи).

Крупную долю рынка гелиоэнергетики занимают крупные промышленные электростанции, где выработка электроэнергии осуществлятеся по технологии солнечных концентраторов или фотогальванических элементов. Такие станции строят в США, Испании, Индии, Китае, Египте, ОАЭ и других странах. Геотермальная энергетика и фотовольтаика применяется также для создания небольших автономных СЭС, которые осуществляют электроснабжение домов или коммерческих производств или складов, а популярны такие системы по всему миру.

Кратко рассмотрим 5 самых крупных электростанций:

  • Гелиопарк Бхадла (Индия). Станция работает с 2017 года, а ее мощность составляет 2700 МВт электроэнергии. Функционирует на фотоэлектрических (фотогальванических) элементах, а общая площадь парка составляет 5700 гектар земли.
  • Станция Лунъянся (КНР). Работает с 2013 года, а ее мощность составляет 2400 МВт электроэнергии. Функционирует на фотогальванических элементах. Станция объединена в единую сеть с гидроэлектростанцией, которая располагается рядом с СЭС, что позволяет покрыть недостатки в выработке тока при неблагоприятной погоде.
  • Гелиопарк Павагада (Индия). Работает с 2019 года, а его мощность составляет 2050 МВт. Работает на фотоэлектрических батареях с повышенным уровнем КПД. Отличается очень крупными размерами — 53 квадратных километра. В ближайшие годы планируется дополнительная установка ветрогенераторов.
  • Гелиопарк Бенбан (Египет). Работает с 2018 года, а его электрическая мощность составляет 1650 МВт. Работает на фотоэлектрических элементах, а общая площадь парка составляет 37,2 квадратных километра. Располагается в пустыне, а станция настолько велика, что ее видно из космоса.
  • Парк Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума (ОАЭ). Функционирует с 2013 года, хотя первая время суммарная мощность была небольшой. По состоянию на 2023 год мощность парка составляет 1300 МВт, а ближайшее время планируется установка новых зарядных станций. Для генерации тока используются фотогальванические элементы и концентраторы.

Обратите внимание!

В США и европейских странах СЭС строятся по модели концентраторов, тогда как в других государствах в основном используется фотогальваника.

Самая большая солнечная электростанция Айванпа
Самая большая солнечная электростанция Ivanpah Solar Electric Generating Station, Калифорния

Целесообразность СЭС

Уровень генерируемой мощности СЭС во многом зависит от плотности светового потока на единицу площади. Из-за шарообразой формы Земли солнечный поток неравномерен для различных широт. При этом максимальная выработка по электроэнергии наблюдается на экваторе, тогда как чем ближе к Северному или Южному полюсу, тем ниже будет выработка электричества. Поэтому крупные электростанции обычно строятся в регионах, которые находятся поближе к экватору, что удобно с технологической и экономической точек зрения.

При этом стоит понимать, что в южных или северных регионах (например, в России) целесообразность установки СЭС все равно будет, хотя уровень выработки здесь будет действительно ниже. Например, если Вы живете в частном доме и Вам требуется небольшая станция на 2 кВт энергии, то Вам придется купить 10-15 фотоэлектрических батарей, которые можно будет установить на крыше дома, а траты на их покупку окупятся достаточно быстро.

Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться не только на земле или крыше дома, но и на подвижных платформах — например, на автомобилях. Поэтому сегодня развивается отрасль так называемого солнечного транспорта, когда фотоэлектрическим батареями обшиваются личные автомобили, грузовики, самолеты, поезда и так далее. К сожалению, технология солнечного транспорта по состоянию на 2023 год находится в зачаточном состоянии, а развивается она достаточно медленно в связи с рядом ограничений.

Основным сдерживающим фактором является то, что количество полезной площади для установки батарей на транспорте невелико, поэтому и уровень генерации электричества будет небольшим. Например, если обшить батареями крышу электромобиля, то за одни сутки можно подзарядить электрокар в среднем на 10-20 километров езды, что является достаточно скромным показателем. Поэтому батареи обычно используются в качестве вспомогательных источников энергии:

  • В случае бензиновых или гибридных автомобилей электричество в основном используется для подзарядки только автомобильного аккумулятора или гаджетов, которые находятся внутри салона. Батареи в таком случае обычно устанавливаются вручную на крышу или заднее стекло.
  • В случае электрических машин солнечные батареи применяются для зарядки аккумулятора, от которого питаются все силовые установки электрокара. Фотоэлектрические панели могут в таком случае устанавливаться вручную или быть интегрированными, а монтируют их обычно на крыше или капоте.
Яхта на солнечных батареях

Экологические проблемы

Переход человечества с тепловых электростанций на солнечные позволит улучшить экологическую обстановку в мире, а также позволит замедлить или вовсе остановить глобальное потепление. При этом следует понимать, что гелиоэнергетика не является полностью чистой с экологической точки зрения — на производство панелей все равно требуются ресурсы и энергия, добыча которых будет создавать вредоносные выбросы. Чтобы разобраться, в чем будет выгода для природы, давайте разберем один простой пример:

  • В экологии есть понятие углеродного следа — так называют общее количество вредоносных парниковых газов, которые образуются при производстве некоторого объекта или при работе какого-либо производства. Углеродный след тесно переплетается с проблемой глобального потепления, поскольку повышение температуры возникает именно из-за роста выбросов парниковых газов в атмосферу.
  • При работе тепловой электростанции на угле генерируется 109 г парниковых газов с каждого кВт*ч энергии, что является достаточно крупным показателем. В случае же солнечной электростанции выработка парниковых газов будет намного ниже — в пределах 5-6 г парниковых газов с каждого кВт*ч. Поэтому переход на такие станции будет для человечества большим благом в долгосрочной перспективе.

Перспективы солнечной электроэнергетики

Итак, выше мы кратко рассмотрели текущее положение гелиоэнергетики, а также узнали ответы на смежные вопросы. Давайте же теперь узнаем, какие перспективы прогнозируют аналитики для этой сферы и что от нее ждать в ближайшем будущем. Для простоты ознакомления с информацией мы разбили наш обзор на две части — перспективы гелиоэнергетики для России и для всего мира.

В России

СЭС Батагай, Якутия
СЭС Батагай, Якутия

По состоянию на 2020 год уровень развития солнечной электроэнергитики в России незначителен, а уровень выработки энергии с помощью гелиопанелей составляет всего 0,55%. Наибольшее количество станций расположено на юге России, где солнечные станции покрывают потребность в энергии на 2,77%. Эксперты при этом добавляют, что уровень применения гелиопанелей с каждый годом увеличивается на 50-80%, что является достаточно неплохим показателем.

В России также развиваются рынок по разработке и выпуску собственных панелей. Например, группа компаний «Хевел» выпускает ячейки и модули для сбора СЭС — если такие модули сложить вместе, то суммарная выработка электроэнергии по состоянию на конец 2020 года составит 719,5 МВт. Большим плюсом для гелиоэнергетики в России было принятие закона о зеленом тарифе в 2021 году (правда, его действие ограничивается лишь мелкими домашними СЭС).

В мире

В мире обстановка по солнечным электростанциям будет несколько лучше. Как мы уже писали ранее, в 2019 году на гелиоэнергетику приходилось всего 2,86% мировой выработки электроэнергии. При этом эксперты прогнозируют, что в ближайшее время ситуация для солнечной энергетики будет меняться быстро в положительном направлении:

  1. В ближайшее несколько лет себестоимость солнечной и тепловой энергии сравняются, что даст толчок для инвестирования в область СЭС-энергетики. Переход на гелиоэнергетику станет не только полезным с экологической точки зрения, но и выгодным как для рядового потребителя, так и для бизнеса.
  2. Прирост по гелиоэнергетике будет составлять 50-100% за каждые 5 лет. Поэтому к 2050 году доля выработки по гелиостанциями увеличится до 20-25%. Благодаря этому переходу удастся также снизить выбросы углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно, что позволит серьезно замедлить глобальное потепление.
СЭС в Гильзенкирхене, Германия
СЭС в Гильзенкирхене, Германия

Видео по теме

По итогам статьи отметим, что современные гелиопанели — весьма выгодный объект инвестирования. Для покупки батарей для электроснабжения дома средних размеров Вам понадобится примерно 150-200 тысяч рублей, однако эти расходы окупятся в течение 2-3 лет, а в дальнейшем Вы будет получить практически бесплатное электричество, что весьма выгодно.

Команда нашего сайта
Артём Соколов

Артём Соколов

Автор проекта

Аркадий Семёнов

Аркадий Семёнов

Автор статей

Айгюль Соколова

Айгюль Соколова

Контент-менеджер

Всё о чистой энергии, экологии, энергетике, электрике, электронике и электротранспорте - GreenEnergia.ru